王海穩(wěn),張井崗

(太原科技大學(xué)自動(dòng)化系,山西太原 030024）

基于dSPACE設(shè)計(jì)平臺(tái)的過程控制系統(tǒng)

王海穩(wěn),張井崗

(太原科技大學(xué)自動(dòng)化系,山西太原 030024）

本文介紹了基于dSPACE設(shè)計(jì)平臺(tái)的過程控制系統(tǒng),闡述了dSPACE系統(tǒng)的框架、軟硬件組成,并以水箱液位系統(tǒng)為研究對(duì)象,采用內(nèi)模控制器為主調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)串級(jí)控制,同時(shí)利用dSPACE的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軟件對(duì)實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行了在線監(jiān)測(cè)。結(jié)果表明,在該實(shí)時(shí)控制平臺(tái)上,滿足對(duì)液位的控制要求。

dSPACE;過程控制;實(shí)時(shí)控制

dSPACE(digitalSignal Processing and Control Engineering)實(shí)時(shí)系統(tǒng)是由德國dSPACE公司開發(fā)的一套基于Matlab/Sim ulink的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作平臺(tái)[1]。它實(shí)現(xiàn)了和Matlab/Sim ulink的無縫連接的具有高速計(jì)算能力的軟硬件系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件包括高速處理器和I/O等,軟件環(huán)境由兩大部分組成。

1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)

基于dSPACE的過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1中DS1103控制器板安裝在工控機(jī)的ISA插槽上,該控制器板提供的ADC模塊負(fù)責(zé)信號(hào)采集,DAC模塊將系統(tǒng)的控制信號(hào)傳送給電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)閥門的開度,達(dá)到控制水箱液位的目的。將dSPACE系統(tǒng)軟件和Matlab/Simu link安裝于工控機(jī)中,建立好Simulink方框圖后,就可使用 RTW(Real-TimeWork-shop)的“Build”把運(yùn)行方框圖自動(dòng)編譯并下載到dSPACE硬件DS1103中,此程序便可以直接運(yùn)行于dSPACE硬件上。

圖1 基于dSPACE的過程控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)硬件連接

基于dSPACE的水箱液位系統(tǒng)硬件連接的示意圖如圖2所示。其中模塊DSl103MUX ADC CON1用于檢測(cè)表征液位高度的電壓信號(hào)(1～5V),經(jīng)過 PC機(jī)處理,由DS1103DAC C3模塊輸出電壓控制信號(hào),信號(hào)調(diào)理模塊用于將D/A模塊輸出的電壓控制信號(hào)轉(zhuǎn)換為4～20mA的電流信號(hào),然后輸出給執(zhí)行機(jī)構(gòu)電動(dòng)調(diào)節(jié)閥,用以控制閥的開度。

圖2 水箱液位系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制平臺(tái)

平臺(tái)中DS1103的模擬信號(hào)輸出端電壓變化范圍為:-10V～10V,工業(yè)對(duì)象要求的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是4～20mA,通過信號(hào)調(diào)理模塊來實(shí)現(xiàn)-10V～10V電壓到4～20mA電流的轉(zhuǎn)換。信號(hào)調(diào)理模塊采用華德HD22雙路信號(hào)隔離器。HD22系列直流變送器是一種能將輸入量的直流信號(hào)經(jīng)隔離轉(zhuǎn)換成兩組輸出量的直流信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)精確測(cè)量的儀器。變送器輸入、輸出和電源三方全隔離,抗干擾能力強(qiáng),且輸入和輸出選擇范圍寬,準(zhǔn)確度高,電源可選擇導(dǎo)軌安裝以便于檢測(cè)與維護(hù)?？蓮V泛用于電信、電力、石油化工等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、信號(hào)傳輸轉(zhuǎn)稱和DCS集散控制系統(tǒng)中。

1.2 實(shí)驗(yàn)軟件系統(tǒng)

軟件環(huán)境包括實(shí)時(shí)代碼的生成和下載軟件RTI(Real-Time Interface)和測(cè)試軟件兩部分。其中RTI是連接dSPACE與Matlab/Sim-ulink的橋梁,一旦通過擴(kuò)展RTW,便可實(shí)現(xiàn)從Simulink模型到dSPACE實(shí)時(shí)硬件代碼的自動(dòng)下載[3]。測(cè)試軟件包括自動(dòng)試驗(yàn)、參數(shù)調(diào)整軟件M lib/M teace、綜合實(shí)驗(yàn)與測(cè)試環(huán)境ControlDesk[4]、PC與實(shí)時(shí)處理器通信軟件Clib以及實(shí)時(shí)動(dòng)畫軟件MotionDesk。

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,通過ADC通道將液位值的電壓信號(hào)經(jīng)過參數(shù)標(biāo)度變換為液位的實(shí)際值后,輸入到PC。ADC通道的輸入范圍為-10～10V,對(duì)應(yīng)的輸出范圍為-1～1V,二者為線性關(guān)系。通過DAC通道實(shí)現(xiàn)控制量的輸出,DAC通道的輸入和輸出范圍和ADC剛好相反[5]。

dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)中,實(shí)時(shí)運(yùn)行框圖搭建好后,為了生成對(duì)應(yīng)的實(shí)時(shí)程序并進(jìn)一步下載到dSPACE的硬件系統(tǒng)中,在Simulink環(huán)境下完成對(duì)simulink param eters對(duì)話框的參數(shù)設(shè)置。通過dSPACE提供的ControlDesk軟件,可以建立操作界面函數(shù)?？梢杂^測(cè)到控制器的實(shí)際控制效果實(shí)時(shí)實(shí)驗(yàn)監(jiān)控軟件ControlDesk為實(shí)驗(yàn)的監(jiān)控提供了便利的人機(jī)接口模塊,在ControlDesk下,利用Simulink框圖下載生成的＊.sd f文件,建立監(jiān)控頁面,加入虛擬儀表,并設(shè)置調(diào)試頁面。在此頁面下,可以方便的觀察上下水箱的液位響應(yīng)曲線,并進(jìn)行實(shí)時(shí)參數(shù)調(diào)整等。

2 仿真實(shí)例

為了驗(yàn)證dSPACE技術(shù)及其內(nèi)?？刂艻MC(InternalM odel Control)算法在工程實(shí)踐中的可行性,我們選擇液位控制作為實(shí)現(xiàn)的對(duì)象,液位串級(jí)控制系統(tǒng)副調(diào)節(jié)器采用比例控制器。主調(diào)節(jié)器采用內(nèi)?？刂破?整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。在完成算法框圖的建立與下載之后,就可以對(duì)液位進(jìn)行實(shí)時(shí)控制了?？紤]到 dSPACE的DAC通道輸出范圍為-10V～10V,所以應(yīng)對(duì)副調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅。

圖3 采用內(nèi)?？刂频膶?shí)時(shí)框圖

算法框圖下載成功后,即自動(dòng)生成實(shí)時(shí)代碼,并會(huì)在當(dāng)前的工作路徑下生成相應(yīng)的系統(tǒng)描述文件(＊.sdf),同時(shí)在Sim ulink模型上出現(xiàn)RTData圖標(biāo)。系統(tǒng)描述文件可以直接在ControlDesk中下載至dSPACE處理器板進(jìn)行實(shí)驗(yàn),除非是更改了模型的原始參數(shù)?，F(xiàn)取λ=1,內(nèi)模控制器最大輸出設(shè)置為50時(shí),運(yùn)行框圖后,可得到如圖4所示的系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。

圖4 λ=1,IM C輸出為50時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線

3 結(jié)語

基于dSPACE的過程控制系統(tǒng)為典型過程對(duì)象的控制研究與開發(fā)提供了一個(gè)良好的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。在該平臺(tái)上,我們可以很方便地對(duì)過程對(duì)象進(jìn)行控制算法的開發(fā),并實(shí)時(shí)檢驗(yàn)所開發(fā)的控制算法控制性能的好壞,實(shí)時(shí)修改控制參數(shù)、控制規(guī)律。在“過程控制與自動(dòng)化儀表”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,我們采用浙江天煌公司的TH J-3型高級(jí)過程控制對(duì)象系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置。被控對(duì)象有水槽、鍋爐、盤管等各種模擬工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的裝置,并配有相應(yīng)的檢測(cè)變送裝置和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)包括液位、溫度、流量、壓力等熱工參數(shù),可實(shí)現(xiàn)單回路控制,串級(jí)控制,系統(tǒng)參數(shù)辨識(shí),前饋-反饋控制,滯后控制,解耦控制和比值控制等多種控制形式[6]。我們把dSPACE實(shí)時(shí)系統(tǒng)作為控制算法及控制邏輯代碼的硬件運(yùn)行環(huán)境,通過dSPACE提供的各種I/O板,來實(shí)現(xiàn)控制信號(hào)的輸出和現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的讀入,以dSPACE提供的綜合實(shí)驗(yàn)環(huán)境ContolDesk作為監(jiān)控界面,快捷方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)不同控制算法的研究與驗(yàn)證。應(yīng)用該仿真平臺(tái)對(duì)不同算法和參數(shù)的驗(yàn)證,可以設(shè)計(jì)出更好的控制器。實(shí)踐結(jié)果表明,該仿真平臺(tái)使得教與學(xué)能更好的結(jié)合,為“過程控制與自動(dòng)化儀表”課程的教學(xué)實(shí)踐提供了一個(gè)良好的平臺(tái)。

[1] dSPACE User Guide-Implementation Guide.dSPACE Inc.2003

[2] 楊滌,李立濤,楊旭,朱承元.系統(tǒng)實(shí)時(shí)仿真開發(fā)環(huán)境與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué)出版社,2002

[3] dSPACE Inc.Real-Tim e-Interface(RTI and RT I-MP)Im plem entation Guid[M].dSPACE GmbH.2005

[4] dSPACE In c.ControlDesk Experiment Guide[M].dSPACE GmbH.2005

[5] dSPACE Inc.Real-Tim e-Interface(RTI and RT I-MP)Im plem entation Guid[M].dSPACE GmbH.2005

[6] 李永富,楊鵬,張燕,龔思遠(yuǎn).基于Matlab的高級(jí)過程控制實(shí)時(shí)混合仿真平臺(tái)[J].北京:系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào).2007.19(18):4150-4153

Process Control System Based on dSPACE Design Platform

WANG Hai-wen,ZHANG Jing-gang

(Depar tmen to f Automation,Taiyuan Un iversity of Science and Technology,Taiyuan 030024,China)

This article introduces the process control system based on dSPACE design platform,expounds the framework,software and hardware o f dSPACE system,dual-closed-loop cascade control is app lied in liquid level systemin w hich themaster regulator uses internalmodel controller,and the real-timemonitoring software isalso app lied tom onitor the processof experimentson line.It haswell dynamic characteristic to meet the liquid level contro l requirem ents.

dSPACE;process control;real-time control

TP273

A

1008-0686(2011)02-0069-03

2010-11-17;

2011-03-16

王海穩(wěn)(1978-),女,博士,講師,主要從事智能控制方面的教學(xué)和科研工作,E-m ail:w heaven@126.com

張井崗(1965-),男,博士,教授,主要從事智能控制和魯棒控制在電氣傳動(dòng)系統(tǒng)中的研究工作.